JP2015018857A

JP2015018857A - 高放熱基板、部品の放熱構造

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Publication number: JP2015018857A
Application number: JP2013143446A
Authority: JP
Inventors: かおり松本; Kaori Matsumoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: JP6252000B2

Abstract

【課題】高放熱基板を用いて、電子部品の放熱構造を得ること。
【解決手段】金属など熱伝導性の高い材料で形成され、貫通穴を有する放熱チップ１が埋設された高放熱基板３の表面に実装された電子部品７と放熱チップ１との熱的接続を図るべく、基板の裏面側から放熱チップ１の貫通穴２より熱伝導剤もしくは熱伝導性接着剤８などを電子部品７の下へ充填する。または、放熱チップ１と同等の金属材料で形成された放熱ねじ９を、基板の裏面側から放熱チップ１の貫通ねじ穴６より電子部品７(発熱部)に接するように挿入する。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板の厚さ方向の熱伝導性に優れた高放熱基板に関するものであり、実装部品が発する熱の放熱を簡易かつ適切に行い得るようにした高放熱基板に関するものである。

近年、プリント基板は、電子部品の高密度実装化に伴い、放熱性の向上や小型軽量・薄型化を図る必要が高まっている。
放熱性に優れたプリント基板として、熱伝導性の高い金属をコア材として用いる金属コア基板が存在する。しかし、基板全体に金属コアが入るため、厚さや重さ、コストの肥大化となるという問題があった。この他にも、基板全体の熱容量が大きくなるため、挿入部品等の実装時にはんだが上がり難いことや、表面実装した電子部品と金属コアとの間に存在する熱伝導性の低い基板材料が、電子部品から金属コアへの熱伝導を妨げる、などの問題があった。

上記問題を解決するため、通常のプリント基板の電子部品の直下に、銅やアルミ、又はそれらの合金などの熱伝導性の高い材料(伝熱材)の放熱チップを埋設した基板が開示されている(例えば、特許文献１参照)。このように放熱チップなどの伝熱材の使用を局所に抑えることで、小型軽量・薄型化を図り、コストや実装性の問題を解決することができる。
更に、放熱チップの埋設された箇所には熱伝導を妨げる材料が存在しないため、電子部品からの熱を、より効率的に基板の裏面側の空間または筐体(シャーシフレーム)に放出することができ、電子部品の温度上昇を抑えることができる。

特開平７−８６７１７号公報

しかしながら、挿入実装や面実装にかかわらず、通常、電子部品と基板との間には空間ができるため、電子部品の熱を直接放熱チップに伝えることができないという課題がある。
電子部品と放熱チップとを熱的接続させるには次の課題があった。
課題１：部品実装後に部品下へ熱伝導剤やシートなどを挿入することが出来ない。
課題２：部品実装前に部品底面(もしくは基板表面)へ熱伝導剤を塗布すると、自動はんだ付け時に必要なセルフアライメント効果を阻害し、適正なはんだ接続状態が得られない。このため、機械による自動はんだ付けではなく、人手によるはんだ付けとなってしまう。

さらに、部品の製造上のバラつきや放熱チップ部の凹凸などから、電子部品と基板との間の空間の寸法管理は難しく、後から熱伝導剤の量を調整できないため、熱伝導剤が足りない場合は十分に基板面に接触することができないという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、基板の厚さ方向の熱伝導性に優れた高放熱基板を提供することを目的とする。また、電子部品を実装した後に、電子部品と基板との間に空間が生じる場合であっても、電子部品が発する熱を効率的に伝導させることができる放熱構造を提供することを目的とする。

この発明に係る高放熱基板は、放熱チップを埋設した基板であって、前記放熱チップは、前記放熱チップの上方に実装される部品の下面と前記基板表面との間の空間に、熱伝導剤または熱伝導接着剤を注入する貫通穴を備える。

本発明によれば、基板上に実装した部品下面と基板表面との間に熱伝導剤等を充填することにより、実装部品が発する熱を基板の厚さ方向に効率的に伝導させることができる。

本発明の実施の形態１に係る高放熱基板の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る高放熱基板に電子部品を実装した状態を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電子部品と放熱チップ、およびシャーシフレームとを熱的接続させる構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態３に係る電子部品と放熱チップ、およびシャーシフレームとを熱的接続させる他の構成の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる高放熱基板の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態にかかる高放熱基板３の構成を示す断面図である。
図１(ａ)、(ｂ)に示す高放熱基板３には放熱チップ１が埋設されている。放熱チップ１は、銅やアルミ、又はそれらの合金などの熱伝導性の高い材料(伝熱材)からなり、プリント基板に実装される電子部品等の直下に埋設される。
本実施の形態に係る放熱チップ１には、図１（ａ）に示す通り、放熱チップ１の上下面を貫通する貫通穴２が設けられている。
また、他の例として、本実施の形態に係る放熱チップ１には、図１（ｂ）に示す通り、放熱チップ１の上下面を貫通する貫通ねじ穴６が設けられている。

図２(ａ)、(ｂ)は、図１(ａ)、(ｂ)に示した放熱チップ１が各々埋設された高放熱基板３に電子部品７を実装した状態を示す図(断面図)である。
図２(ａ)の実装状態において、電子部品７を高放熱基板３に実装した後に、高放熱基板３の裏面側の貫通穴２から、熱伝導剤または熱伝導性接着剤などが注入され、電子部品７のパッケージ下面と高放熱基板３の上面の間の空間１０には、熱伝導剤または熱伝導性接着剤が充填されている。
このように電子部品７のパッケージ下面と高放熱基板３の上面の間の空間１０に、熱伝導剤または熱伝導性接着剤を充填することにより、空間１０のバラつきを緩和し電子部品７と放熱チップ１とを熱的に接続させるようにした。これにより電子部品７が発生する熱を高放熱基板３の裏面側に放出し、電子部品７の温度上昇を抑えることができる。

また、図２(ｂ)の実装状態においては、電子部品７を高放熱基板３に実装した後に、高放熱基板３の裏面側の貫通ねじ穴６から、放熱チップ１と同等の熱伝導性の高い材料の放熱ねじ９を挿入している。なお、放熱ねじ９により電子部品７のパッケージ下面に接触するよう突き出し量を調節できる。
このように放熱ねじ９を電子部品７のパッケージ下面に接触させることにより、空間１０のバラつきを緩和し電子部品７と放熱チップ１とを熱的接続させるようにした。これにより電子部品７が発生する熱を高放熱基板３の裏面側に放出し、電子部品７の温度上昇を抑えることができる。

なお、図２(ａ)、(ｂ)で示した例では、電子部品の直下に放熱チップを埋設したが、高放熱基板とこれを収容する筐体(シャーシフレーム)とが当接する部分にも放熱チップを埋設すれば、電子部品７から発した熱を、電子部品７直下の放熱チップ１→内層の導体パターン→シャーシフレームと当接する放熱チップとを通して、シャーシフレームに効率的に伝えることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る電子部品と放熱チップ、およびシャーシフレームとを熱的接続させる構成の一例を示す図である。
図３(ａ)は、シャーシフレーム１１とのねじ止め部分に、貫通穴２を設けた放熱チップ１が埋設された高放熱基板３の構成例を示す図である。
ねじ１２およびナット１３によりシャーシフレーム１１と放熱チップ１を密着させており、より確実な放熱効果を得ることができる。
ただし、本方法は放熱チップ同士の熱的接続を内層の導体パターンに見込んでいるため、放熱チップと内層導体が接する工法、例えばスルーホールめっき１４の施された穴への放熱チップ圧入等により製造された高放熱基板に適用することが望ましい。

一方、図３(ｂ)は、電子部品７の下の放熱チップ１にシャーシフレーム１１が当接する場合の、高放熱基板３の構成例を示す図である。
放熱チップ１とシャーシフレーム１１に貫通ねじ穴６が設けられ、高放熱基板７の裏面側から放熱ねじ９が挿入されることで、電子部品７のパッケージ下面からシャーシフレーム１１まで直接的に熱を伝えることができ、同時に、高放熱基板３をシャーシフレーム１１に固定することが可能である。
またこの時の放熱チップ１の存在意義として、熱容量の増加およびシャーシフレーム１１(または基板の裏面側の空間)との接触面積の増加により、放熱性を高めることができる点が挙げられる。
図３に示す構成例においては、シャーシフレーム１１がヒートシンクとしての役割を果たすため、放熱チップ1で吸収した熱を効率良く放熱できる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る電子部品と放熱チップ、およびシャーシフレームとを熱的接続させる構成例を示す図である。
図４(ｃ)は、図３(ｂ)におけるシャーシフレーム１１の貫通ねじ穴６を貫通穴２に変更し、放熱ねじ９がシャーシフレーム１１の裏面側からナット１２により固定されている。
このようにナット１２によって固定されることで、シャーシフレーム１１の穴がねじ穴である必要がなくなり、また、外力や経年による放熱チップ１とシャーシフレーム１１との熱的接続の弱化を防ぐことができる。
ただし、図４(ｃ)の構成をシャーシフレーム１１の穴がねじ穴である場合と比較すると、放熱ねじ９とシャーシフレーム１１との接触面積が減少する点を留意する必要がある。

図４(ｄ)は、図３(ａ)と図３(ｂ)で説明した構成を組み合わせた例で、１つの放熱チップに貫通穴２と貫通ねじ穴６が設けられ、貫通穴２から熱伝導剤または熱伝導性接着剤などを充填する。
貫通ねじ穴６へは放熱ねじが挿入されており、これまでに挙げた実施の形態の中で最も高い放熱性が期待できる構成である。

放熱チップの貫通ねじ穴について、目的が筐体との熱的接続と固定のみ(部品側への放熱ねじの突き出し不要)の場合、または放熱ねじの突き出し量の調節が部品実装前に実施できる(裏面側からの調節や筐体への固定が不要の)場合は、非貫通でも良い。

以上のように、本発明にかかる高放熱基板と放熱構造は、電子部品から発生した熱を効率的に外部に放熱できる点で有用であり、特に、高発熱の電子部品を実装する放熱構造に適している。

１放熱チップ、２貫通穴、３高放熱基板、４導体パターン、５基板材料、６貫通ねじ穴、７電子部品、８熱伝導剤、熱伝導性接着剤など、９放熱ねじ、１０電子部品と基板との間の空間、１１シャーシフレーム、１２ねじ、１３ナット、１４スルーホールめっき。

Claims

放熱チップを埋設した基板であって、
前記放熱チップは、前記放熱チップの上方に実装される部品の下面と前記基板表面との間の空間に、熱伝導剤または熱伝導接着剤を注入する貫通穴を備えることを特徴とする高放熱基板。
放熱チップを埋設した基板であって、
前記放熱チップは、前記放熱チップの上方に実装される部品の下面と接触する放熱用ねじを通す貫通ねじ穴を備えることを特徴とする高放熱基板。
上面と下面を貫通する貫通穴を有する放熱チップが埋設された基板と、
前記放熱チップ上に実装される部品と、
前記部品の下面と前記基板との間の空間、および前記貫通穴を充填する熱伝導剤または熱伝導接着剤と、
を備えることを特徴とする部品の放熱構造。
上面と下面を貫通する貫通ねじ穴を有する放熱チップが埋設された基板と、
前記放熱チップ上に実装される部品と、
前記貫通ねじ穴を通り前記部品の下面と接触する位置でねじ止めされる放熱ねじと、
を備えることを特徴とする部品の放熱構造。